彬长采煤沉陷区水土流失地下关键影响因子甄选

张 勇 ，宋世杰 ，杜华栋 ，聂文杰

（1.陕西省水利厅，陕西 西安710004；2.西安科技大学，陕西 西安710054）

0 引言

煤炭作为我国重要的一次性能源，其在我国能源结构中的主导地位在未来相当长的时期里不会有所改变[1]。截止2017年底，我国煤炭总产量达到34.5亿t，其中90%以上是通过井工开采方式获取[2]。然而，大规模井工开采在带来丰硕煤炭资源的同时，也严重的破坏着煤矿区的地质环境，不仅直接造成开采沉陷、地（表）下水破坏，矸石弃土压占污染土地、植被退化等地质环境损害，更重要的是，通过这些损害不断加剧着区域水土流失这一公认的头号环境问题[3-5]。彬长矿区作为陕西第二大煤炭生产基地，地处黄土高原沟壑区，总面积约为243.36 km2，现有煤矿18座，近10年高强度的井下采煤活动使得矿区内已形成塌陷面积20 km2以上，加之区域自然气候恶劣、地形坡陡沟深、地表黄土盖层结构疏松等因素，为采煤沉陷区的水土流失创造了便利条件，以致该矿区特别是沉陷区水土流失大大加剧。最新调查数据显示，彬长矿区沉陷内土壤侵蚀模数高达3367 t·km-2·a-1，是所处区域平均土壤侵蚀模数（2546 t·km-2·a-1）的132%，是同地域农业区土壤侵蚀模数（2451 t·km-2·a-1）的137%，年平均冲刷深度2.3 mm[6]。

由此可见，地下采煤活动是采煤沉陷区水土流失加剧的根本原因，而采煤沉陷区也必然成为煤矿区水土流失加剧的最大、最严重区域。因此，有效控制采煤沉陷区水土流失是实现煤矿区水土保持和环境保护急需解决的重大课题。鉴于此，本文从采煤沉陷区的区域特性出发，立足“地下控制地表”的新视角，分析和甄选显著影响采煤沉陷区水土流失的地下采动关键因子，不仅可以深化和拓展采煤沉陷区土壤侵蚀特征和基本规律的认识，而且可以从“地下与地表联动”的角度为采煤沉陷区水土流失的防控提供新的思路。

1 彬长矿区自然环境及煤炭开采概况

1.1 彬长矿区自然环境特征

彬长矿区位于陕西省关中地区西北部，彬县及长武县城之间，见图1。该矿区地处陇东黄土高原东南翼，属陕北黄土高原南部塬梁沟壑区，地貌特征主要表现为塬梁破碎、沟壑纵横。

图1 彬长矿区位置示意图

彬长矿区属暖温带半干旱大陆性季风气候区，冬春干旱，夏季炎热，秋湿多雨，四季分明，平均气温9.7℃，年均降水量579 mm。该矿区水资源有地表水和地下水构成，地表水主要有泾河、黑河、红崖河、水帘沟、南沟、达溪河等支流；地下水主要包括第四系潜水、第三系裂隙水、白垩系和侏罗系裂隙承压水。彬长矿区内，土壤以黄绵土、黑垆土等为主；粮食作物、经济作物等人工植被构成了植被主体。

1.2 彬长矿区水土流失特征

彬长矿区属黄土高原丘陵沟壑区，该区内沟壑纵横，沟深坡陡，降水集中，水土流失类型以水力侵蚀为主，土壤侵蚀容许值为1000 t/km2·a。根据水利部水土保持监测中心制定的《全国土壤侵蚀遥感调查技术规程》，彬长矿区土壤侵蚀涵盖了微度、轻度、中度、强度和极强度5个土壤侵蚀强度等级，其土壤侵蚀类型统计面积见表1。

表1 土壤侵蚀类型面积统计表

煤炭开采过程中会对矿区土地造成各种损害，并引起或加剧水土流失，其中尤以采煤沉陷影响范围最广、影响程度最大。彬长矿区因开采历史长、开采强度大等因素，地下采煤造成的地面沉陷具有下沉系数大、移动角大、移动变形周期短、传递速度快等特点，对采煤沉陷区水土流失的加剧作用尤为突出，加剧程度尤为剧烈。因此采煤沉陷区是彬长矿区水土流失的关键区域。

1.3 彬长矿区煤炭开采特征

彬长矿区位于黄陇侏罗纪煤田地处鄂尔多斯盆地南缘，煤炭资源储量约为8978.83 Mt。其地层由老至新有三叠系、侏罗系、白垩系、第三系和第四系，其中侏罗系中统的延安组是该区主要含煤地层。延安组共含煤8层，自上而下编号为1、2、3、4上-1、4上-2、4上、4-1、4煤，其中4号煤为全区可采煤层，平均厚度10.65 m。

彬长矿区内代表性煤矿主要有：大佛寺、孟村、胡家河、小庄、亭南、下沟、官牌、蒋家河、水帘洞等9座煤矿，总生产规模为41.0 Mt/a，其主要开采特征见表2。

表2 彬长矿区9座矿井开采情况表

2 采煤沉陷区水土流失地下关键影响因子甄选

2.1 地下影响因子初选与量化

（1）地下影响因子初选

针对彬长矿区采煤沉陷区特性，在广泛征询专家意见的基础上，遵循科学性、代表性、易操作性的基本原则，初选了采深、采厚、煤层倾角、覆岩综合硬度、下沉系数、工作面宽度、工作面年推进距离7个地下影响因子，见表3。

（2）地下影响因子量化

以彬长矿区9个代表性煤矿为数据样本，收集并量化了各煤矿7个地下影响因子和采煤沉陷区土壤侵蚀模数增量，见表4。其中，考虑到采煤沉陷区土壤侵蚀模数增量因缺乏监测而难以获得，故采用场地工程、场外道路、场外管线工程、排矸场等单元在施工期和自然恢复期第1年预测的土壤侵蚀模数增加量的算术平均值加以替代表征。

表3 井下影响地表水土流失的因子初选结果

表4 彬长矿区生产矿井影响采煤沉陷区水土流失因子及新增水土流失量

2.2 地下关键影响因子甄选

（1）灰色关联分析法基本原理[7]

灰色关联分析主要用于分析系统各因素之间随时间变化的动态关系及其特征，从而找到系统的主要因素。在系统发展过程中，如果两个因素变化的态势基本一致，即同步变化程度较高，则认为这两个因素的关系密切，或关联度大；否则称其关联度小。因此关联度可以实现对系统各因素之间关联程度的定量描述。

（2）甄选过程

根据上述原理，以土壤侵蚀模数平均增加量为母因素（X0），以采深（X1）、采厚（X2）、煤层倾角（X3）、覆岩综合硬度（X4）、下沉系数（X5）、工作面宽度（X6）、工作面年推进距离（X7）为子因素，甄选与土壤侵蚀模数平均增加量关系密切，对地表水土流失影响较大的因子。通过计算得到绝对差值矩阵（见式1）和关联系数矩阵（见式2）。

（3）甄选结果与分析

通过计算，最终得到7个影响因子与采煤沉陷区土壤侵蚀模数增加量的关联度：

G（0，1）=0.803；G（0，2）=0.822；G（0，3）=0.755；G（0，4）=0.752；G（0，5）=0.749；G（0，6）=0.768；G（0，7）=0.745；

由此分析得出：

①7个影响因子与采煤沉陷区土壤侵蚀模数增加量的关联序为：G（0，2）＞G（0，1）＞G（0，6）＞G（0，3）＞G（0，4）＞G（0，5）＞G（0，7）；即采厚>采深>工作面宽度>煤层倾角>覆岩综合硬度>下沉系数>工作面年推进距离。

②从关联度大小看：采厚、采深的关联度分别为0.822和0.803，二者与采煤沉陷区土壤侵蚀模数增加量的关联程度最高；工作面宽度、煤层倾角、覆岩综合硬度、下沉系数、工作面年推进距离的关联度依次是 0.768、0.755、0.752、0.749、0.745，与采煤沉陷区土壤侵蚀模数增加量的关联程度均在0.75左右之间，对土壤侵蚀模数平均增加量有一定的影响。

③结合相关选取原则，以P＞0.8为选取标准，确定采厚和采深作为采煤沉陷区水土流失的地下关键影响因子。

3 结论

（1）在对彬长矿区自然环境特征、水土流失特征和煤炭开采特征充分调查分析的基础上，认为采煤沉陷区是彬长矿区水土流失的关键区域。针对采煤沉陷区的区域特性，从“地下控制地表”的新视角，分析和初选出7个显著影响采煤沉陷区水土流失的地下因子，即采厚、采深、工作面宽度、煤层倾角、覆岩综合硬度、下沉系数、工作面年推进距离。

（2）以彬长矿区9个代表性煤矿为样本，运用灰色关联原理，计算得出采厚、采深与采煤沉陷区土壤侵蚀模数增加量的关联度分别为0.822、0.803，均超过80%，根据相关标准，甄选采厚、采深作为影响采煤沉陷区水土流失的地下关键因子。

（3）研究结果不仅深化和拓展了对采煤沉陷区土壤侵蚀特征和基本规律的认识，更为采煤沉陷区水土流失的“地下与地表联动防控”提供了理论基础，并为最终实现采煤沉陷区水土流失的“采前预判”、“采中控制”、“采后治理”创造了有利条件。